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線形写像 表現行列 演習問題1 解答

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Academic year: 2024

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(1)

熊本大学 数理科学総合教育

線形写像 表現行列 演習問題1 解答

問 1. 線形写像f: R3 →R2, f





x y z





=

[ 2 3 −1

−1 1 4 ]



x y z



,以下 問 答 .

(i) R3 標準基底 R2 標準基底 関 f 表現行列 答 . 解答. R3 標準基底 R2 標準基底



e1 =

1 0 0

,e2 =

0 1 0

,e3 =

0 0 1



, {

e′1 = [1

0 ]

,e′2 = [0

1 ]}

.

f(e1) =

[ 2 3 −1

−1 1 4 ] 1

0 0

= [ 2

−1 ]

= 2 [1

0 ]

+ (−1) [0

1 ]

= 2e′1+ (−1)e′2,

f(e2) =

[ 2 3 −1

−1 1 4 ] 0

1 0

= [3

1 ]

= 3 [1

0 ]

+ 1· [0

1 ]

= 3e′1+ 1·e′2,

f(e3) =

[ 2 3 −1

−1 1 4 ] 0

0 1

= [−1

4 ]

= (−1) [1

0 ]

+ 4 [0

1 ]

= (−1)e′1+ 4e′2

,表現行列

[ 2 3 −1

−1 1 4 ]

.

(ii) R3 基底A =







a1 =



 1 0 0



,a2 =



 1 1 0



,a3 =



 1 1 1









 R2 基底B= {

b1 = [1

1 ]

,b2 = [ 1

−1 ]}

関 f 表現行列F

F =

[f11 f12 f13 f21 f22 f23

]

.f(a1), f(a2), f(a3) b1, b2, fij(1 ≤i ≤2,1≤ j ≤3) 用 表

(表現行列 定義 確認 ).

解答. 表現行列 定義 ,f(a1) = f11b1 +f21b2, f(a2) = f12b1 +f22b2, f(a3) = f13b1+f23b2.

(iii) 5 2次元 b1, b2, f(a1), f(a2), f(a3) 各列 並 得 2×5行列[b1, b2, f(a1), f(a2), f(a3)] 行基本変形 何回 施 得 階段行列

=

[1 0 f11′ f12′ f13′ 0 1 f21′ f22′ f23′ ]

, i, j (1 ≤ i ≤ 2,1 ≤ j ≤ 3) fij = fij′ 確認

.

1

(2)

熊本大学 数理科学総合教育 解答.

[b1,b2, f(a1), f(a2), f(a3)] =

[1 1 2 5 4 1 −1 −1 0 4 ]

→ · · · →

[1 0 1/2 5/2 4 0 1 3/2 5/2 0 ]

変形 ,確

f(a1) =

[ 2 3 −1

−1 1 4 ] 1

0 0

= [ 2

−1 ]

= 1 2

[1 1 ]

+ 3 2

[ 1

−1 ]

= 1

2b1+ 3 2b2,

f(a2) =

[ 2 3 −1

−1 1 4 ] 1

1 0

= [5

0 ]

= 5 2

[1 1 ]

+ 5 2

[ 1

−1 ]

= 5

2b1 + 5 2b2,

f(a3) =

[ 2 3 −1

−1 1 4 ] 1

1 1

= [4

4 ]

= 4 [1

1 ]

+ 0 [ 1

−1 ]

= 4b1+ 0b2,

成立 .

問 2. R2 2組 基底A = {

a1 = [

1 1 ]

,a2 = [

1

−1 ]}

B = {

b1 = [

2 1 ]

,b2 = [

1 2

]}

,以下 問 答 .

(i) A B 基底取 替 行列

P =

[p11 p12

p21 p22 ]

.b1, b2 a1, a2, pij(1≤ i, j ≤ 2) 用 表 (基底取 替 行列 定義 確認 ).

解答. 基底取 替 行列 定義 ,b1 =p11a1+p21a2, b2 =p12a1+p22a2.

(ii) 4 2次元 a1, a2, b1, b2 各列 並 得 2×4行列[a1, a2, b1, b2] 行基本変形 何回 施 得 階段行列

=

[1 0 p′11 p′12 0 1 p′21 p′22 ]

, i, j (1≤i, j ≤2) pij =p′ij 確認 . 解答.

[a1,a2,b1,b2] =

[1 1 2 1 1 −1 1 2 ]

→ · · · →

[1 0 3/2 3/2 0 1 1/2 −1/2

]

変形 ,確

b1 = [2

1 ]

= 3 2

[1 1 ]

+ 1 2

[ 1

−1 ]

= 3

2a1+ 1 2a2, b2 =

[1 2 ]

= 3 2

[1 1 ]

+ (

−1 2

) [ 1

−1 ]

= 3 2a1+

(

−1 2

) a2

成立 .

2

(3)

熊本大学 数理科学総合教育

注 意. 線 形 写 像 f: Rn → Rm Rn 基 底 A = {a1,a2, . . . ,an} Rm 基 底

B={b1,b2, . . . ,bm} 関 表現行列F ,任意 x∈Rn 対

x=a1a1+a2a2+· · ·anan, f(x) =b1b1+b2b2+· · ·bmbm

表 , 



 b1

b2 ... bm



=F



 a1

a2 ... an





成立 . Rn 各 基底A ,Rm 各 基底B 用 考 立場 ,線形写像f 行列F 左 掛 操作 見

.

本演習問題 線形写像 f: Rn → Rm Rn 基底 A = {a1,a2, . . . ,an} Rm 基底 B = {b1,b2, . . . ,bm} 関 表現行列 F ,[b1,b2, . . . ,bm|f(a1), f(a2), . . . , f(an)]

行基本変形 階段行列 際 右側 m× n 行列 一致 , 階段行列 変形 結果 [ m 次単位行列 | F ] 形 .同様 ,Rn 2 組 A = {a1,a2, . . . ,an} B = {b1,b2, . . . ,bn} 対 ,A B 基底取 替 行列 P ,[a1,a2, . . . ,an|b1,b2, . . . ,bn] 行基本変形 数回行 結果得 階段行列 [ n次単位行列 | P ] 右側 n次正方行列(実際 正則行列) 一致 . 理由 以下 示

.基底取 替 行列 ,線形変換 id : Rn → Rn 基底B 基底A 関 表現行列 話 帰着 ,一般 表現行列 方 示 . ,線形写像 f: Rn → Rm Rn 基底 A = {a1,a2, . . . ,an} Rm 基底B = {b1,b2, . . . ,bm} 与 ,A B 関

f 表現行列 F .表現行列 定義











f(a1) =f11b1+f21b2+· · ·+fm1bm

f(a2) =f12b1+f22b2+· · ·+fm2bm

...

f(an) =f1nb1+f2nb2+· · ·+fmnbm

, F =





f11 f12 · · · f1n

f21 f22 · · · f2n ... ... . .. ... fm1 fm2 · · · fmn





,前者 連立式 行列 用 表

[f(a1), f(a2), . . . , f(an)] = [b1,b2, . . . ,bm]F

.B 基底 [b1,b2, . . . ,bm] 正則 注意

F = [b1,b2, . . . ,bm]−1[f(a1), f(a2), . . . , f(an)] (0.1) 成 立 .

一方,行列 行基本変形 行 ,基本行列 左 掛 操作 対応 思 出 .行列[b1,b2, . . . ,bm|f(a1), f(a2), . . . , f(an)] 行基本変形 階段行列 変形

, 正則行列Q 左 掛

Q[b1,b2, . . . ,bm|f(a1), f(a2), . . . , f(an)] = [Q[b1,b2, . . . ,bm]|Q[f(a1), f(a2), . . . , f(an)]]

3

(4)

熊本大学 数理科学総合教育

変形 階段行列 得 他 .再 B 基底 Q[b1,b2, . . . ,bm] 必 m次単位行列 ,結果 Q= [b1,b2, . . . ,bm]−1 得 .

[b1,b2, . . . ,bm|f(a1), f(a2), . . . , f(an)]

行基本変形 行 階段行列 結果 右側 m×n行列

Q[f(a1), f(a2), . . . , f(an)] = [b1,b2, . . . ,bm]−1[f(a1), f(a2), . . . , f(an)]

.(0.1) , A B 関 f 表現行列 一致 .

, 行基本変形 答 行列 求 , 線形写像

表現行列 基底取 替 行列 定義 理解 .

4

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